NNDL 实验三 线性回归

2.2 线性回归


2.2.1 数据集构建


构造一个小的回归数据集:

生成 150 个带噪音的样本,其中 100 个训练样本,50 个测试样本,并打印出训练数据的可视化分布。

import torch
def linear_func(x,w=1.2,b=0.5):
    y = w*x + b
    return y
def create_toy_data(func, interval, sample_num, noise = 0.0, add_outlier = False, outlier_ratio = 0.001):
    """
    根据给定的函数,生成样本
    输入:
       - func:函数
       - interval: x的取值范围
       - sample_num: 样本数目
       - noise: 噪声均方差
       - add_outlier:是否生成异常值
       - outlier_ratio:异常值占比
    输出:
       - X: 特征数据,shape=[n_samples,1]
       - y: 标签数据,shape=[n_samples,1]
    """

    # 均匀采样
    # 使用paddle.rand在生成sample_num个随机数
    X = torch.rand(sample_num) * (interval[1]-interval[0]) + interval[0]
    y = func(X)

    # 生成高斯分布的标签噪声
    # 使用paddle.normal生成0均值,noise标准差的数据
    epsilon = torch.normal(0.0,noise,(y.shape[0],))
    y = y + epsilon
    if add_outlier:     # 生成额外的异常点
        outlier_num = int(len(y)*outlier_ratio)
        if outlier_num != 0:
            # 使用paddle.randint生成服从均匀分布的、范围在[0, len(y))的随机Tensor
            outlier_idx = torch.randint(len(y),(outlier_num))
            y[outlier_idx] = y[outlier_idx] * 5
    return X, y
from matplotlib import pyplot as plt # matplotlib 是 Python 的绘图库

func = linear_func
interval = (-10,10)
train_num = 100 # 训练样本数目
test_num = 50 # 测试样本数目
noise = 2.0
X_train, y_train = create_toy_data(func=func, interval=interval, sample_num=train_num, noise = noise, add_outlier = False)
X_test, y_test = create_toy_data(func=func, interval=interval, sample_num=test_num, noise = noise, add_outlier = False)

X_train_large, y_train_large = create_toy_data(func=func, interval=interval, sample_num=5000, noise = noise, add_outlier = False)

# paddle.linspace返回一个Tensor,Tensor的值为在区间start和stop上均匀间隔的num个值,输出Tensor的长度为num
X_underlying = torch.linspace(interval[0],interval[1],train_num)
y_underlying = linear_func(X_underlying)

# 绘制数据
plt.scatter(X_train, y_train, marker='*', facecolor="none", edgecolor='#e4007f', s=50, label="train data")
plt.scatter(X_test, y_test, facecolor="none", edgecolor='#f19ec2', s=50, label="test data")
plt.plot(X_underlying, y_underlying, c='#000000', label=r"underlying distribution")
plt.legend(fontsize='x-large') # 给图像加图例
plt.savefig('ml-vis.pdf') # 保存图像到PDF文件中
plt.show()

得到以下结果:

NNDL 实验三 线性回归_第1张图片

2.2.2 模型构建

其中权重向量w\in∈R^{D}RD和偏置b\in∈RR都是可学习的参数。

def linear_func(x,w=1.2,b=0.5):
    y = w*x + b
    return y

这里构建模型调用了op

import torch

torch.seed()  # 设置随机种子


class Op(object):
    def __init__(self):
        pass

    def __call__(self, inputs):
        return self.forward(inputs)

    def forward(self, inputs):
        raise NotImplementedError

    def backward(self, inputs):
        raise NotImplementedError


# 线性算子
class Linear(Op):
    def __init__(self, input_size):
        """
        输入:
           - input_size:模型要处理的数据特征向量长度
        """

        self.input_size = input_size

        # 模型参数
        self.params = {}
        self.params['w'] = torch.randn(size=(self.input_size, 1))
        self.params['b'] = torch.zeros([1])

    def __call__(self, X):
        return self.forward(X)

    # 前向函数
    def forward(self, X):
        """
        输入:
           - X: tensor, shape=[N,D]
           注意这里的X矩阵是由N个x向量的转置拼接成的,与原教材行向量表示方式不一致
        输出:
           - y_pred: tensor, shape=[N]
        """

        N, D = X.shape

        if self.input_size == 0:
            return torch.full(size=(N, 1), fill_value=self.params['b'])

        assert D == self.input_size  # 输入数据维度合法性验证

        # 使用torch.matmul计算两个tensor的乘积
        y_pred = torch.matmul(X, self.params['w']) + self.params['b']

        return y_pred

然后进行模型构建

from op import Linear
# 注意这里我们为了和后面章节统一,这里的X矩阵是由N个x向量的转置拼接成的,与原教材行向量表示方式不一致
input_size = 3
N = 2
X = torch.randn(size=(N, input_size))  # 生成2个维度为3的数据
model = Linear(input_size)
y_pred = model(X)
print("y_pred:", y_pred)  # 输出结果的个数也是2个

得到以下结果:

y_pred: tensor([[ 0.7267],
        [-0.3482]])

2.2.3 损失函数


回归任务中常用的评估指标是均方误差
均方误差(mean-square error, MSE)是反映估计量与被估计量之间差异程度的一种度量。
【注意:代码实现中没有除2】

def mean_squared_error(y_true, y_pred):
    """
    输入:
       - y_true: tensor,样本真实标签
       - y_pred: tensor, 样本预测标签
    输出:
       - error: float,误差值
    """

    assert y_true.shape[0] == y_pred.shape[0]

    # torch.square计算输入的平方值
    # torch.mean沿 axis 计算 x 的平均值,默认axis是None,则对输入的全部元素计算平均值。
    error = torch.mean(torch.square(y_true - y_pred))

    return error


# 构造一个简单的样例进行测试:[N,1], N=2
y_true = torch.tensor([[-0.2], [4.9]])
y_pred = torch.tensor([[1.3], [2.5]])

error = mean_squared_error(y_true=y_true, y_pred=y_pred).item()
print("error:", error)

得到以下结果:

error: 4.005000114440918

思考:没有除2合理么?谈谈自己的看法,写到实验报告。
在维基百科中给到的均方误差公式是NNDL 实验三 线性回归_第2张图片

而邱老师给的均方误差公式是\frac{1 }{2n}\sum_{i=1}^{n}(y^{i}-\hat{y}^{i})  所以除不除2都是对的,对比一下运行时间

NNDL 实验三 线性回归_第3张图片

NNDL 实验三 线性回归_第4张图片

时间基本上也是一样的,没有上面区别,我认为除以2的作用是在反向传播更新参数求偏导时消除2,更方便计算。无论是1/n还是1/2n,都对最后结果没有太大影响。

2.2.4 模型优化


经验风险 ( Empirical Risk ),即在训练集上的平均损失。

采用经验风险最小化,线性回归可以通过最小二乘法求出参数w\boldsymbol{w}w和bbb的解析解。计算公式(2.8)中均方误差对参数bbb的偏导数,得到\frac{\partial L(y,\hat{y})}{\partial b}=1^T(Xw+b-y)

def optimizer_lsm(model, X, y, reg_lambda=0):
    """
      输入:
         - model: 模型
         - X: tensor, 特征数据,shape=[N,D]
         - y: tensor,标签数据,shape=[N]
         - reg_lambda: float, 正则化系数,默认为0
      输出:
         - model: 优化好的模型
      """

    N, D = X.shape

    # 对输入特征数据所有特征向量求平均
    x_bar_tran = torch.mean(X, dim=0).T

    # 求标签的均值,shape=[1]
    y_bar = torch.mean(y)

    # paddle.subtract通过广播的方式实现矩阵减向量
    x_sub = torch.subtract(X, x_bar_tran)

    # 使用paddle.all判断输入tensor是否全0
    if torch.all(x_sub == 0):
        model.params['b'] = y_bar
        model.params['w'] = torch.zeros(size=[D])
        return model

    # paddle.inverse求方阵的逆
    tmp = torch.inverse(torch.matmul(x_sub.T, x_sub) +
                         reg_lambda * torch.eye(n=(D)))

    w = torch.matmul(torch.matmul(tmp,x_sub.T),(y-y_bar))

    b = y_bar - torch.matmul(x_bar_tran, w)

    model.params['b'] = b
    model.params['w'] = torch.squeeze(w, dim=-1)

    return model

思考1. 为什么省略了1/N不影响效果?

因为是1/N在求均方误差前的一个常数,对求结果不影响

思考 2. 什么是最小二乘法 ( Least Square Method , LSM )

最小二乘法是一种在误差估计、不确定度、系统辨识及预测、预报等数据处理诸多学科领域得到广泛应用的数学工具。


2.2.5 模型训练


在准备了数据、模型、损失函数和参数学习的实现之后,开始模型的训练。

在回归任务中,模型的评价指标和损失函数一致,都为均方误差。

通过上文实现的线性回归类来拟合训练数据,并输出模型在训练集上的损失。

input_size = 1
model = Linear(input_size)
model = optimizer_lsm(model, X_train.reshape([-1, 1]), y_train.reshape([-1, 1]))
print("w_pred:", model.params['w'].item(), "b_pred: ", model.params['b'].item())

y_train_pred = model(X_train.reshape([-1, 1])).squeeze()
train_error = mean_squared_error(y_true=y_train, y_pred=y_train_pred).item()
print("train error: ", train_error)

model_large = Linear(input_size)
model_large = optimizer_lsm(model_large, X_train_large.reshape([-1, 1]), y_train_large.reshape([-1, 1]))
print("w_pred large:", model_large.params['w'].item(), "b_pred large: ", model_large.params['b'].item())

y_train_pred_large = model_large(X_train_large.reshape([-1, 1])).squeeze()
train_error_large = mean_squared_error(y_true=y_train_large, y_pred=y_train_pred_large).item()
print("train error large: ", train_error_large)

得到以下结果:

w_pred: 1.2311609983444214 b_pred:  0.722328782081604
train error:  5.754324436187744
w_pred large: 1.1925201416015625 b_pred large:  0.5044823884963989
train error large:  3.9575839042663574

 从输出结果看,预测结果与真实值w=1.2,b=0.5有一定的差距。

2.2.6 模型评估


用训练好的模型预测一下测试集的标签,并计算在测试集上的损失。

y_test_pred = model(X_test.reshape([-1, 1])).squeeze()
test_error = mean_squared_error(y_true=y_test, y_pred=y_test_pred).item()
print("\ntest error: ", test_error)

y_test_pred_large = model_large(X_test.reshape([-1, 1])).squeeze()
test_error_large = mean_squared_error(y_true=y_test, y_pred=y_test_pred_large).item()
print("test error large: ", test_error_large)

得到以下结果:

test error:  4.078899383544922
test error large:  4.063781261444092

2.2.7 样本数量 & 正则化系数


(1) 调整训练数据的样本数量,由 100 调整到 5000,观察对模型性能的影响。

调整后得到结果

w_pred: 1.2048473358154297 b_pred:  0.5234600901603699
train error:  4.041067600250244
w_pred large: 1.199342966079712 b_pred large:  0.5103142261505127
train error large:  4.016262531280518

发现训练数据多了以后更接近真实值。 

(2) 调整正则化系数,观察对模型性能的影响。

从0变到1

def optimizer_lsm(model, X, y, reg_lambda=1):
w_pred: 1.1955323219299316 b_pred:  0.5197067856788635
train error:  4.058706283569336
w_pred large: 1.1985976696014404 b_pred large:  0.5135126709938049
train error large:  4.219876289367676

 变到2

def optimizer_lsm(model, X, y, reg_lambda=2):
w_pred: 1.1973843574523926 b_pred:  0.5086403489112854
train error:  4.210980415344238
w_pred large: 1.2007951736450195 b_pred large:  0.5112778544425964
train error large:  4.070272445678711

感觉并没有什么变化。 

2.3 多项式回归

2.3.1 数据集构建


构建训练和测试数据,其中:

训练数样本 15 个,测试样本 10 个,高斯噪声标准差为 0.1,自变量范围为 (0,1)。

import math
import torch
from matplotlib import pyplot as plt


# sin函数: sin(2 * pi * x)
def sin(x):
    y = torch.sin(2 * math.pi * x)
    return y


def create_toy_data(func, interval, sample_num, noise=0.0, add_outlier=False, outlier_ratio=0.001):
    """
    根据给定的函数,生成样本
    输入:
       - func:函数
       - interval: x的取值范围
       - sample_num: 样本数目
       - noise: 噪声均方差
       - add_outlier:是否生成异常值
       - outlier_ratio:异常值占比
    输出:
       - X: 特征数据,shape=[n_samples,1]
       - y: 标签数据,shape=[n_samples,1]
    """

    # 均匀采样
    # 使用torch.rand在生成sample_num个随机数
    X = torch.rand(sample_num, 1) * (interval[1] - interval[0]) + interval[0]
    y = func(X)

    # 生成高斯分布的标签噪声
    # 使用torch.normal生成0均值,noise标准差的数据
    epsilon = torch.normal(0.0, noise, (y.shape[0], 1))
    y = y + epsilon
    if add_outlier:  # 生成额外的异常点
        outlier_num = int(len(y) * outlier_ratio)
        if outlier_num != 0:
            # 使用torch.randint生成服从均匀分布的、范围在[0, len(y))的随机Tensor
            outlier_idx = torch.randint(0, len(y), size=[outlier_num])
            y[outlier_idx] = y[outlier_idx] * 5
    return X, y


# 生成数据
func = sin
interval = (0, 1)
train_num = 15                  #训练样本数
test_num = 10                   #测试样本数
noise = 0.5                     #噪声0.1
X_train, y_train = create_toy_data(func=func, interval=interval, sample_num=train_num, noise=noise)
X_test, y_test = create_toy_data(func=func, interval=interval, sample_num=test_num, noise=noise)

X_underlying = torch.linspace(interval[0], interval[1], 100)
y_underlying = sin(X_underlying)

# 绘制图像
plt.rcParams['figure.figsize'] = (8.0, 6.0)
plt.scatter(X_train, y_train, facecolor="none", edgecolor='#e4007f', s=50, label="train data")
# plt.scatter(X_test, y_test, facecolor="none", edgecolor="r", s=50, label="test data")
plt.plot(X_underlying, y_underlying, c='#000000', label=r"$\sin(2\pi x)$")
plt.legend(fontsize='x-large')
plt.savefig('ml-vis2.pdf')
plt.show()

得到以下结果:

NNDL 实验三 线性回归_第5张图片  

2.3.2 模型构建


套用求解线性回归参数的方法来求解多项式回归参数

通过多项式的定义可以看出,多项式回归和线性回归一样,同样学习参数w,只不过需要对输入特征ϕ(x)根据多项式阶数进行变换。因此,我们可以套用求解线性回归参数的方法来求解多项式回归参数。

首先,我们实现多项式基函数 polynomial_basis_function 对原始特征x进行转换。

def polynomial_basis_function(x, degree=2):
    """
    输入:
       - x: tensor, 输入的数据,shape=[N,1]
       - degree: int, 多项式的阶数
       example Input: [[2], [3], [4]], degree=2
       example Output: [[2^1, 2^2], [3^1, 3^2], [4^1, 4^2]]
       注意:本案例中,在degree>=1时不生成全为1的一列数据;degree为0时生成形状与输入相同,全1的Tensor
    输出:
       - x_result: tensor
    """

    if degree == 0:
        return torch.ones(size=x.shape, dtype=torch.float32)

    x_tmp = x
    x_result = x_tmp

    for i in range(2, degree + 1):
        x_tmp = torch.multiply(x_tmp, x)  # 逐元素相乘
        x_result = torch.cat((x_result, x_tmp), dim=-1)

    return x_result


# 简单测试
data = [[2], [3], [4]]
X = torch.tensor(data=data, dtype=torch.float32)
degree = 3
transformed_X = polynomial_basis_function(X, degree=degree)
print("转换前:", X)
print("阶数为", degree, "转换后:", transformed_X)

得到以下结果:

转换前: tensor([[2.],
        [3.],
        [4.]])
阶数为 3 转换后: tensor([[ 2.,  4.,  8.],
        [ 3.,  9., 27.],
        [ 4., 16., 64.]])

2.3.3 模型训练


对于多项式回归,我们可以同样使用前面线性回归中定义的LinearRegression算子、训练函数train、均方误差函数mean_squared_error。

这里调用了邱老师的op、和opitimizer库。op上面写过了,这里就只写opitimize。

import torch


def optimizer_lsm(model, X, y, reg_lambda=0):
    """
    输入:
       - model: 模型
       - X: tensor, 特征数据,shape=[N,D]
       - y: tensor,标签数据,shape=[N]
       - reg_lambda: float, 正则化系数,默认为0
    输出:
       - model: 优化好的模型
    """

    N, D = X.shape

    # 对输入特征数据所有特征向量求平均
    x_bar_tran = torch.mean(X, axis=0).T

    # 求标签的均值,shape=[1]
    y_bar = torch.mean(y)

    # torch.subtract通过广播的方式实现矩阵减向量
    x_sub = torch.subtract(X, x_bar_tran)

    # 使用torch.all判断输入tensor是否全0
    if torch.all(x_sub == 0):
        model.params['b'] = y_bar
        model.params['w'] = torch.zeros(size=[D])
        return model

    # torch.inverse求方阵的逆
    tmp = torch.inverse(torch.matmul(x_sub.T, x_sub) +
                        reg_lambda * torch.eye(D))

    w = torch.matmul(torch.matmul(tmp, x_sub.T), (y - y_bar))

    b = y_bar - torch.matmul(x_bar_tran, w)

    model.params['b'] = b
    model.params['w'] = torch.squeeze(w, axis=-1)

    return model

然后对模型进行训练 

plt.rcParams['figure.figsize'] = (12.0, 8.0)
from op import Linear
from opitimizer import optimizer_lsm
for i, degree in enumerate([0, 1, 3, 8]):  # []中为多项式的阶数
    model = Linear(degree)
    X_train_transformed = polynomial_basis_function(X_train.reshape([-1, 1]), degree)
    X_underlying_transformed = polynomial_basis_function(X_underlying.reshape([-1, 1]), degree)

    model = optimizer_lsm(model, X_train_transformed, y_train.reshape([-1, 1]))  # 拟合得到参数

    y_underlying_pred = model(X_underlying_transformed).squeeze()

    print(model.params)

    # 绘制图像
    plt.subplot(2, 2, i + 1)
    plt.scatter(X_train, y_train, facecolor="none", edgecolor='#e4007f', s=50, label="train data")
    plt.plot(X_underlying, y_underlying, c='#000000', label=r"$\sin(2\pi x)$")
    plt.plot(X_underlying, y_underlying_pred, c='#f19ec2', label="predicted function")
    plt.ylim(-2, 1.5)
    plt.annotate("M={}".format(degree), xy=(0.95, -1.4))

# plt.legend(bbox_to_anchor=(1.05, 0.64), loc=2, borderaxespad=0.)
plt.legend(loc='lower left', fontsize='x-large')
plt.savefig('ml-vis3.pdf')
plt.show()

得到以下结果:

{'w': tensor([0.]), 'b': tensor(-0.2121)}
{'w': tensor([-0.7518]), 'b': tensor([0.2028])}
{'w': tensor([ 13.8945, -40.5546,  27.7141]), 'b': tensor([-0.4740])}
{'w': tensor([  23.7728, -117.4511,  282.6644, -431.2556,  303.7968,  148.5780,
        -379.8677,  171.0508]), 'b': tensor([-0.5915])}

 NNDL 实验三 线性回归_第6张图片

2.3.4 模型评估


通过均方误差来衡量训练误差、测试误差以及在没有噪音的加入下sin函数值与多项式回归值之间的误差,更加真实地反映拟合结果。多项式分布阶数从0到8进行遍历。

在这个评估调用了上面的mean_squared_error函数。

def mean_squared_error(y_true, y_pred):
    """
    输入:
       - y_true: tensor,样本真实标签
       - y_pred: tensor, 样本预测标签
    输出:
       - error: float,误差值
    """

    assert y_true.shape[0] == y_pred.shape[0]

    # torch.square计算输入的平方值
    # torch.mean沿 axis 计算 x 的平均值,默认axis是None,则对输入的全部元素计算平均值。
    error = torch.mean(torch.square(y_true - y_pred))

    return error
# 训练误差和测试误差
training_errors = []
test_errors = []
distribution_errors = []

# 遍历多项式阶数
for i in range(9):
    model = Linear(i)

    X_train_transformed = polynomial_basis_function(X_train.reshape([-1, 1]), i)
    X_test_transformed = polynomial_basis_function(X_test.reshape([-1, 1]), i)
    X_underlying_transformed = polynomial_basis_function(X_underlying.reshape([-1, 1]), i)

    optimizer_lsm(model, X_train_transformed, y_train.reshape([-1, 1]))

    y_train_pred = model(X_train_transformed).squeeze()
    y_test_pred = model(X_test_transformed).squeeze()
    y_underlying_pred = model(X_underlying_transformed).squeeze()

    train_mse = mean_squared_error(y_true=y_train, y_pred=y_train_pred).item()
    training_errors.append(train_mse)

    test_mse = mean_squared_error(y_true=y_test, y_pred=y_test_pred).item()
    test_errors.append(test_mse)

    # distribution_mse = mean_squared_error(y_true=y_underlying, y_pred=y_underlying_pred).item()
    # distribution_errors.append(distribution_mse)

print("train errors: \n", training_errors)
print("test errors: \n", test_errors)
# print ("distribution errors: \n", distribution_errors)

# 绘制图片
plt.rcParams['figure.figsize'] = (8.0, 6.0)
plt.plot(training_errors, '-.', mfc="none", mec='#e4007f', ms=10, c='#e4007f', label="Training")
plt.plot(test_errors, '--', mfc="none", mec='#f19ec2', ms=10, c='#f19ec2', label="Test")
# plt.plot(distribution_errors, '-', mfc="none", mec="#3D3D3F", ms=10, c="#3D3D3F", label="Distribution")
plt.legend(fontsize='x-large')
plt.xlabel("degree")
plt.ylabel("MSE")
plt.savefig('ml-mse-error.pdf')
plt.show()

得到以下结果:

train errors: 
 [0.7819297313690186, 1.1314518451690674, 1.131645917892456, 1.3965239524841309, 1.3957881927490234, 1.529004693031311, 1.1946673393249512, 2.941286563873291, 68.9569091796875]
test errors: 
 [1.116755485534668, 1.4550701379776, 1.4546467065811157, 1.9773098230361938, 1.976857304573059, 1.9820983409881592, 1.6794538497924805, 3.5154919624328613, 58.013633728027344]

 NNDL 实验三 线性回归_第7张图片

对于模型过拟合的情况,可以引入正则化方法,通过向误差函数中添加一个惩罚项来避免系数倾向于较大的取值。

degree = 8 # 多项式阶数
reg_lambda = 0.0001 # 正则化系数

X_train_transformed = polynomial_basis_function(X_train.reshape([-1,1]), degree)
X_test_transformed = polynomial_basis_function(X_test.reshape([-1,1]), degree)
X_underlying_transformed = polynomial_basis_function(X_underlying.reshape([-1,1]), degree)

model = Linear(degree) 

optimizer_lsm(model,X_train_transformed,y_train.reshape([-1,1]))

y_test_pred=model(X_test_transformed).squeeze()
y_underlying_pred=model(X_underlying_transformed).squeeze()

model_reg = Linear(degree) 

optimizer_lsm(model_reg,X_train_transformed,y_train.reshape([-1,1]),reg_lambda=reg_lambda)

y_test_pred_reg=model_reg(X_test_transformed).squeeze()
y_underlying_pred_reg=model_reg(X_underlying_transformed).squeeze()

mse = mean_squared_error(y_true = y_test, y_pred = y_test_pred).item()
print("mse:",mse)
mes_reg = mean_squared_error(y_true = y_test, y_pred = y_test_pred_reg).item()
print("mse_with_l2_reg:",mes_reg)

# 绘制图像
plt.scatter(X_train, y_train, facecolor="none", edgecolor="#e4007f", s=50, label="train data")
plt.plot(X_underlying, y_underlying, c='#000000', label=r"$\sin(2\pi x)$")
plt.plot(X_underlying, y_underlying_pred, c='#e4007f', linestyle="--", label="$deg. = 8$")
plt.plot(X_underlying, y_underlying_pred_reg, c='#f19ec2', linestyle="-.", label="$deg. = 8, \ell_2 reg$")
plt.ylim(-1.5, 1.5)
plt.annotate("lambda={}".format(reg_lambda), xy=(0.82, -1.4))
plt.legend(fontsize='large')
plt.savefig('ml-vis4.pdf')
plt.show()

得到以下结果:

mse: 2.888894557952881
mse_with_l2_reg: 2.3218464851379395

 NNDL 实验三 线性回归_第8张图片

观察可视化结果,其中黄色曲线为加入l_{2}​正则后多项式分布拟合结果,红色曲线为未加入l_{2}​正则的拟合结果,黄色曲线的拟合效果明显好于红色曲线。 

2.4 Runner类介绍


机器学习方法流程包括数据集构建、模型构建、损失函数定义、优化器、模型训练、模型评价、模型预测等环节。

为了更方便地将上述环节规范化,我们将机器学习模型的基本要素封装成一个Runner类。

除上述提到的要素外,再加上模型保存、模型加载等功能。

Runner类的成员函数定义如下:

__init__函数:实例化Runner类,需要传入模型、损失函数、优化器和评价指标等;
train函数:模型训练,指定模型训练需要的训练集和验证集;
evaluate函数:通过对训练好的模型进行评价,在验证集或测试集上查看模型训练效果;
predict函数:选取一条数据对训练好的模型进行预测;
save_model函数:模型在训练过程和训练结束后需要进行保存;
load_model函数:调用加载之前保存的模型。

import torch
import os


class Runner(object):
    def __init__(self, model, optimizer, loss_fn, metric):
        # 优化器和损失函数为None,不再关注

        # 模型
        self.model = model
        # 评估指标
        self.metric = metric
        # 优化器
        self.optimizer = optimizer

    def train(self, dataset, reg_lambda, model_dir):
        X, y = dataset
        self.optimizer(self.model, X, y, reg_lambda)

        # 保存模型
        self.save_model(model_dir)

    def evaluate(self, dataset, **kwargs):
        X, y = dataset

        y_pred = self.model(X)
        result = self.metric(y_pred, y)

        return result

    def predict(self, X, **kwargs):
        return self.model(X)

    def save_model(self, model_dir):
        if not os.path.exists(model_dir):
            os.makedirs(model_dir)

        params_saved_path = os.path.join(model_dir, 'params.pdtensor')
        torch.save(self.model.params, params_saved_path)

    def load_model(self, model_dir):
        params_saved_path = os.path.join(model_dir, 'params.pdtensor')
        self.model.params = torch.load(params_saved_path)

2.5 基于线性回归的波士顿房价预测


使用线性回归来对马萨诸塞州波士顿郊区的房屋进行预测。

实验流程主要包含如下5个步骤:

数据处理:包括数据清洗(缺失值和异常值处理)、数据集划分,以便数据可以被模型正常读取,并具有良好的泛化性;
模型构建:定义线性回归模型类;
训练配置:训练相关的一些配置,如:优化算法、评价指标等;
组装训练框架Runner:Runner用于管理模型训练和测试过程;
模型训练和测试:利用Runner进行模型训练和测试。
2.5.1 数据处理

import pandas as pd # 开源数据分析和操作工具

# 利用pandas加载波士顿房价的数据集
data=pd.read_csv("boston_house_prices.csv")
# 预览前5行数据
print(data.head())

得到以下结果:

      CRIM    ZN  INDUS  CHAS    NOX  ...  RAD  TAX  PTRATIO  LSTAT  MEDV
0  0.00632  18.0   2.31     0  0.538  ...    1  296     15.3   4.98  24.0
1  0.02731   0.0   7.07     0  0.469  ...    2  242     17.8   9.14  21.6
2  0.02729   0.0   7.07     0  0.469  ...    2  242     17.8   4.03  34.7
3  0.03237   0.0   2.18     0  0.458  ...    3  222     18.7   2.94  33.4
4  0.06905   0.0   2.18     0  0.458  ...    3  222     18.7   5.33  36.2


2.5.1.2 数据清洗

# 查看各字段缺失值统计情况
print(data.isna().sum())

得到以下结果:

[5 rows x 13 columns]
CRIM       0
ZN         0
INDUS      0
CHAS       0
NOX        0
RM         0
AGE        0
DIS        0
RAD        0
TAX        0
PTRATIO    0
LSTAT      0
MEDV       0
dtype: int64

进程已结束,退出代码为 0

从输出结果看,波士顿房价预测数据集中不存在缺失值的情况。

  • 异常值处理

通过箱线图直观的显示数据分布,并观测数据中的异常值。箱线图一般由五个统计值组成:最大值、上四分位、中位数、下四分位和最小值。一般来说,观测到的数据大于最大估计值或者小于最小估计值则判断为异常值,其中

最大估计值=上四分位+1.5∗(上四分位−下四分位)

最小估计值=下四分位−1.5∗(上四分位−下四分位)

import matplotlib.pyplot as plt  # 可视化工具


# 箱线图查看异常值分布
def boxplot(data, fig_name):
    # 绘制每个属性的箱线图
    data_col = list(data.columns)

    # 连续画几个图片
    plt.figure(figsize=(5, 5), dpi=300)
    # 子图调整
    plt.subplots_adjust(wspace=0.6)
    # 每个特征画一个箱线图
    for i, col_name in enumerate(data_col):
        plt.subplot(3, 5, i + 1)
        # 画箱线图
        plt.boxplot(data[col_name],
                    showmeans=True,
                    meanprops={"markersize": 1, "marker": "D", "markeredgecolor": '#f19ec2'},  # 均值的属性
                    medianprops={"color": '#e4007f'},  # 中位数线的属性
                    whiskerprops={"color": '#e4007f', "linewidth": 0.4, 'linestyle': "--"},
                    flierprops={"markersize": 0.4},
                    )
        # 图名
        plt.title(col_name, fontdict={"size": 5}, pad=2)
        # y方向刻度
        plt.yticks(fontsize=4, rotation=90)
        plt.tick_params(pad=0.5)
        # x方向刻度
        plt.xticks([])
    plt.savefig(fig_name)
    plt.show()


boxplot(data, 'ml-vis5.pdf')

得到以下结果:

NNDL 实验三 线性回归_第9张图片

 下面是箱线图的一个示例,可对照查看具体含义

NNDL 实验三 线性回归_第10张图片

从输出结果看,数据中存在较多的异常值(图中上下边缘以外的空心小圆圈)。

使用四分位值筛选出箱线图中分布的异常值,并将这些数据视为噪声,其将被临界值取代,代码实现如下:

# 四分位处理异常值
num_features = data.select_dtypes(exclude=['object', 'bool']).columns.tolist()

for feature in num_features:
    if feature == 'CHAS':
        continue

    Q1 = data[feature].quantile(q=0.25)  # 下四分位
    Q3 = data[feature].quantile(q=0.75)  # 上四分位

    IQR = Q3 - Q1
    top = Q3 + 1.5 * IQR  # 最大估计值
    bot = Q1 - 1.5 * IQR  # 最小估计值
    values = data[feature].values
    values[values > top] = top  # 临界值取代噪声
    values[values < bot] = bot  # 临界值取代噪声
    data[feature] = values.astype(data[feature].dtypes)

# 再次查看箱线图,异常值已被临界值替换(数据量较多或本身异常值较少时,箱线图展示会不容易体现出来)
boxplot(data, 'ml-vis6.pdf')

得到以下结果:

NNDL 实验三 线性回归_第11张图片

 从输出结果看,经过异常值处理后,箱线图中异常值得到了改善。

2.5.1.3 数据集划分

import torch

torch.seed()


# 划分训练集和测试集
def train_test_split(X, y, train_percent=0.8):
    n = len(X)
    shuffled_indices = torch.randperm(n)  # 返回一个数值在0到n-1、随机排列的1-D Tensor
    train_set_size = int(n * train_percent)
    train_indices = shuffled_indices[:train_set_size]
    test_indices = shuffled_indices[train_set_size:]

    X = X.values
    y = y.values

    X_train = X[train_indices]
    y_train = y[train_indices]

    X_test = X[test_indices]
    y_test = y[test_indices]

    return X_train, X_test, y_train, y_test


X = data.drop(['MEDV'], axis=1)
y = data['MEDV']

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y)  # X_train每一行是个样本,shape[N,D]

2.5.1.4 特征工程

为了消除纲量对数据特征之间影响,在模型训练前,需要对特征数据进行归一化处理,将数据缩放到[0, 1]区间内,使得不同特征之间具有可比性。

import torch
X_train = torch.as_tensor(X_train,dtype=torch.float32)
X_test = torch.as_tensor(X_test,dtype=torch.float32)
y_train = torch.as_tensor(y_train,dtype=torch.float32)
y_test = torch.as_tensor(y_test,dtype=torch.float32)
X_min = torch.min(X_train,axis=0)[0]
X_max = torch.max(X_train,axis=0)[0]
X_train = (X_train-X_min)/(X_max-X_min)
X_test  = (X_test-X_min)/(X_max-X_min)
# 训练集构造
train_dataset=(X_train,y_train)
# 测试集构造
test_dataset=(X_test,y_test)


2.5.2 模型构建

from op import Linear
# 模型实例化
input_size = 12
model=Linear(input_size)

op的代码上面展示过了,这里就不再复述了。

2.5.3 完善Runner类

模型定义好后,围绕模型需要配置损失函数、优化器、评估、测试等信息,以及模型相关的一些其他信息(如模型存储路径等)。

在本章中使用的Runner类为V1版本。其中训练过程通过直接求解解析解的方式得到模型参数,没有模型优化及计算损失函数过程,模型训练结束后保存模型参数。

训练配置中定义:

  • 训练环境,如GPU还是CPU,本案例不涉及;
  • 优化器,本案例不涉及;
  • 损失函数,本案例通过平方损失函数得到模型参数的解析解;
  • 评估指标,本案例利用MSE评估模型效果。
import torch.nn as nn
mse_loss = nn.MSELoss()

具体实现如下: 

import torch
import os
from opitimizer import optimizer_lsm
class Runner(object):
    def __init__(self, model, optimizer, loss_fn, metric):
        # 优化器和损失函数为None,不再关注

        # 模型
        self.model = model
        # 评估指标
        self.metric = metric
        # 优化器
        self.optimizer = optimizer

    def train(self, dataset, reg_lambda, model_dir):
        X, y = dataset
        self.optimizer(self.model, X, y, reg_lambda)

        # 保存模型
        self.save_model(model_dir)

    def evaluate(self, dataset, **kwargs):
        X, y = dataset

        y_pred = self.model(X)
        result = self.metric(y_pred, y)

        return result

    def predict(self, X, **kwargs):
        return self.model(X)

    def save_model(self, model_dir):
        if not os.path.exists(model_dir):
            os.makedirs(model_dir)

        params_saved_path = os.path.join(model_dir, 'params.pdtensor')
        torch.save(model.params, params_saved_path)

    def load_model(self, model_dir):
        params_saved_path = os.path.join(model_dir, 'params.pdtensor')
        self.model.params = torch.load(params_saved_path)


optimizer = optimizer_lsm

# 实例化Runner
runner = Runner(model, optimizer=optimizer, loss_fn=None, metric=mse_loss)


2.5.4 模型训练

在组装完成Runner之后,我们将开始进行模型训练、评估和测试。首先,我们先实例化Runner,然后开始进行装配训练环境,接下来就可以开始训练了,相关代码如下:

# 实例化Runner
runner = Runner(model, optimizer=optimizer, loss_fn=None, metric=mse_loss)
# 模型保存文件夹
saved_dir = './models'

打印出训练得到的权重:

# 启动训练
runner.train(train_dataset,reg_lambda=0,model_dir=saved_dir)
columns_list = data.columns.to_list()
weights = runner.model.params['w'].tolist()
b = runner.model.params['b'].item()
for i in range(len(weights)):
    print(columns_list[i],"weight:",weights[i])
print("b:",b)

得到以下结果:

CRIM weight: -5.9484663009643555
ZN weight: 1.191910982131958
INDUS weight: -1.5184974670410156
CHAS weight: 2.2386364936828613
NOX weight: -7.728636264801025
RM weight: 8.411205291748047
AGE weight: -0.5842510461807251
DIS weight: -9.940699577331543
RAD weight: 7.080266952514648
TAX weight: -2.843235969543457
PTRATIO weight: -7.491270542144775
LSTAT weight: -14.364503860473633
b: 33.61080551147461

进程已结束,退出代码为 0

从输出结果看,CRIM、PTRATIO等的权重为负数,表示该镇的人均犯罪率与房价负相关,学生与教师比例越大,房价越低。RAD和CHAS等为正,表示到径向公路的可达性指数越高,房价越高;临近Charles River房价高。


2.5.5模型测试

加载训练好的模型参数,在测试集上得到模型的MSE指标。

# 加载模型权重
runner.load_model(saved_dir)
mse = runner.evaluate(test_dataset)
print('MSE:', mse.item())

得到以下结果:

MSE: 8.003396034240723

2.5.6 模型预测

 使用Runnerload_model函数加载保存好的模型,使用predict进行模型预测,代码实现如下

runner.load_model(saved_dir)
pred = runner.predict(X_test[:1])
print("真实房价:",y_test[:1].item())
print("预测的房价:",pred.item())

得到以下结果: 

真实房价: 18.899999618530273
预测的房价: 23.72675895690918

问题1:使用实现机器学习模型的基本要素有什么优点?

1、易维护
采用面向对象思想设计的结构,可读性高,由于继承的存在,即使改变需求,那么维护也只是在局部模块,所以维护起来是非常方便和较低成本的。
2、质量高
在设计时,可重用现有的,在以前的项目的领域中已被测试过的类使系统满足业务需求并具有较高的质量。
3、效率高
在软件开发时,根据设计的需要对现实世界的事物进行抽象,产生类。使用这样的方法解决问题,接近于日常生活和自然的思考方式,势必提高软件开发的效率和质量。
4、易扩展
由于继承、封装、多态的特性,自然设计出高内聚、低耦合的系统结构,使得系统更灵活、更容易扩展,而且成本较低

问题2:算子op、优化器opitimizer放在单独的文件中,主程序在使用时调用该文件。这样做有什么优点?

对主程序编程时更加干净简洁,重复的代码不会多次出现。更方便维护,哪里出错了一看就知道。

问题3:线性回归通常使用平方损失函数,能否使用交叉熵损失函数?为什么?

不可以。


均方损失︰假设误差是正态分布,适用于线性的输出(如回归问题),特点是对于与真实结果差别越大,则惩罚力度越大,这并不适用于分类问题


交叉嫡损失:假设误差是二值分布,可以视为预测概率分布和真实概率分布的相似程度。在分类问题中有良好的应用。 

所以交叉熵损失函数适合在分类中应用。

实验心得

 这次实验在刚开始的时候给我造成了一点困难,在封装Runner类的时候发现有些地方忘了是怎么回事了,可能是我的Java没有学好吧,而且这次是第一次在python中进行类的调用,原来只是在Java中用过。这次在python中使用了类以后我发现整个程序都显得干净了不少,以至于我在后面编写的时候看见一个def都想把他变成个类。

这次的实验用到了邱老师的op和opitimize算子,也从其中学到了很多知识。当然这次线性回归的实验又复习了一下线性回归的基本要素:模型、数据集、损失函数、优化函数-随机梯度下降然后就开始构建数据集并且展示他然后就是读取数据集、初始化模型参数、定义模型、定义损失函数、
定义优化函数、然后就是训练。

这次作业中那个要不要除以二的问题让我很感兴趣,其实不只是我上面展示的两种方法,MSE有很多公式,可以说不同的书有不一样的公式吧,但是他们目的都是一样的,这让我很感兴趣,有时间的话会多去了解一下均方误差。

你可能感兴趣的:(神经网络与深度学习,机器学习,深度学习,逻辑回归)